روسيا تكشف النقاب عن معالج كمومي بدقة تصل إلى 99.55% في عمليات "الكيوبت المزدوج"
© Fotolia / Tomasz Zajda
تابعنا عبر
قدّم علماء من مجمع "كوانتوم بارك"، وهو مجمع مشترك بين جامعة باومان موسكو التقنية الحكومية ومعهد دوخوف الروسي لأبحاث الأتمتة (VNIIA)، معالج "SnowDrop 8Q"، وهو معالج كمومي مساعد فائق التوصيل جديد عالي الأداء بثمانية كيوبتات، مصمم لاختبار بنية رقاقة قابلة للتطوير بالكامل.
خلال الاختبار، حقق النظام دقة متوسطة تبلغ نحو 99.929% لعمليات الكيوبت المفردة المتزامنة، ونحو 99.26% لعمليات الكيوبت المزدوج، بينما وصلت أفضل أزواج الكيوبتات إلى 99.55%، وهو مستوى يقول المطورون إنه يضاهي المعالجات الكمومية المساعدة فائقة التوصيل الرائدة عالميًا.
تشير المحاكاة العددية إلى أن الإصدارات المستقبلية قد تتجاوز دقة 99.9% في حسابات الكيوبتات الثنائية، وهو مستوى بالغ الأهمية للتطبيقات العملية في الكيمياء الكمومية، وعلوم المواد، واللوجستيات.
لماذا تعد الدقة بالغة الأهمية في الحوسبة الكمومية؟
يُجري الحاسوب الكمومي العمليات الحسابية باستخدام الكيوبتات، التي تستغل حالات كمومية غير متاحة للبتات العادية. تكمن الصعوبة في أن هذه الحالات شديدة الحساسية، حتى أن الأخطاء الطفيفة في إشارات التحكم قد تُشوّه النتيجة.
تُعدّ عمليات الكيوبتات الثنائية بالغة الأهمية لأنها تربط بين الكيوبتات الفردية وتُمكّن الخوارزميات الكمومية من بناء علاقات معقدة بينها، ولكنها أيضًا من بين المصادر الرئيسية للخطأ في الأنظمة فائقة التوصيل.
ولكي تعمل المعالجات المساعدة الكمومية جنبًا إلى جنب مع الحواسيب العملاقة التقليدية في حلّ المشكلات المفيدة، يجب على الباحثين تحسين ثلاثة أمور في آنٍ واحد: دقة العمليات، وعدد الكيوبتات، والترابط بينها. صُمم معالج (SnowDrop 8Q) خصيصًا لاختبار إمكانية تحقيق هذه التحسينات دون التأثير على الأداء مع ازدياد حجم النظام.
بنية قابلة للتوسع مع اتصالات قابلة للتحكم
وفقًا لنيكيتا سيرجيفيتش سميرنوف، الباحث الرئيسي في (Quantum Park) وأحد المطورين الرئيسيين للمعالج المساعد، كان الهدف الأساسي هو اختبار بنية جديدة قابلة للتوسع لتشمل أعدادًا أكبر من الكيوبتات مع الحفاظ على الدقة والأداء.
استخدم الباحثون بنية ذات اقتران قابل للتحكم، ما يعني أن الكيوبتات ليست متصلة ببعضها البعض بشكل مباشر ودائم. بدلًا من ذلك، يمكن لعنصر اقتران خاص عزلها عند عدم الحاجة إلى التفاعل، أو ربطها عند الحاجة إلى إجراء عملية سريعة ثنائية الكيوبت.
يمنح هذا النظام تحكمًا أكبر في التفاعلات غير المرغوب فيها، والتي تُعد مصدرًا رئيسيًا للأخطاء مع ازدياد تعقيد المعالجات الكمومية.
نبضات "بات" تُساعد في تقليل الأخطاء
الابتكار الرئيسي الثاني هو نوع خاص من إشارات التحكم يُسمى "نبضة بات"، اختصارًا لـ ثنائي القطب متداخل مضبوط السعة. تتحكم هذه النبضات ذات الشكل الخاص في كلٍ من الكيوبتات وعناصر الاقتران، مما يسمح للنظام بجعل الكيوبتات تتفاعل في اللحظة المطلوبة ثم فصلها مرة أخرى.
وفقًا لسميرنوف، يُساعد هذا النهج في تقليل التشوهات في نبضات التحكم نفسها، وهي أحد المصادر الرئيسية للخطأ في المعالجات الكمومية فائقة التوصيل.
يُسهم كلٌ من بنية الشريحة الجديدة ونبضات بات في تقليل تأثير تفاعلات الكيوبتات غير المرغوب فيها، وتحسين مقاومة الضوضاء منخفضة التردد، وتبسيط معايرة المعدات.
عمليات كمومية أقل لنفس المهمة
تؤدي العديد من الأنظمة الكمومية مهمة معقدة من خلال دمج عدة عمليات قياسية ثنائية الكيوبت. بدلاً من ذلك، يمكن للمعالج المساعد الجديد التكيف بمرونة أكبر مع مهمة محددة، مما يسمح بتنفيذ بعض الخوارزميات بعدد أقل من عمليات الكيوبت المزدوج.
يعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لأن الحالات الكمومية لا تدوم إلا لفترة محدودة قبل أن تفقد تماسكها، ويؤدي تقليل عدد العمليات إلى زيادة احتمالية إتمام الحساب قبل تدمير الحالة الكمومية المفيدة، ووفقًاللمصدر، فقد نشأت الحاجة إلى هذا النهج الأكثر شمولية من باحثي الخوارزميات في معهد (VNIIA).
كيف تعمل شريحة الكم فائقة التوصيل
تشبه شريحة (SnowDrop 8Q) دائرة إلكترونية دقيقة، وهي مبنية على ركيزة سيليكون مغطاة بطبقات معدنية فائقة التوصيل. تشكل هذه الطبقات دوائر متذبذبة تحتوي على مكثفات وعناصر حثية. المكون الأساسي هو وصلة "جوزيفسون"، التي توفر الحث غير الخطي اللازم لإنشاء كيوبت فائق التوصيل.
تتصل خطوط تحكم معدنية بالكيوبتات، بينما تعمل الشريحة الكمومية بأكملها داخل مبرد تخفيف، حيث تُحفظ تحت فراغ عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 20 ملي كلفن، أي جزء ضئيل جدًا من الدرجة فوق الصفر المطلق،ويعدّ هذا التبريد الشديد ضروريًا للحفاظ على الحالات الكمومية الدقيقة لفترة كافية لإجراء العمليات الحسابية.
لماذا تُعدّ نسبة 99.9% الهدف التالي؟
حققت أفضل أزواج الكيوبتات في معالج (SnowDrop 8Q) دقةً بلغت 99.55% في عمليات الكيوبتات الثنائية، لكن الباحثين يعتقدون بإمكانية رفع هذه النسبة إلى ما يزيد عن 99.9%.
استخدمت محاكاة الفريق أوقات تماسك أطول للكيوبتات، وهي أوقات حقيقية وليست افتراضية، ووفقًالسميرنوف، ويحقق الفريق بالفعل مستويات التماسك هذه على الكيوبتات الفردية، ويحتاج الآن إلى نقل الأداء نفسه إلى معالجات متعددة الكيوبتات.
زيادة التماسك تعني إطالة الفترة الزمنية التي يحتفظ فيها الكيوبت بحالته الكمومية، مما يُسهم بشكل مباشر في تحسين دقة عمليات الكيوبتات الثنائية، ويعمل الباحثون حاليًا على تطوير نسخ مُحسّنة من المعالج المساعد.
من الجزيئات إلى الذكاء الاصطناعي والتحسين
لا يزال معالج (SnowDrop 8Q) صغيرًا جدًا بالنسبة للمهام الكمومية الصناعية واسعة النطاق، لكن مطوريه يقولون إنه قادر بالفعل على تشغيل نسخ مُصغّرة من الخوارزميات نفسها التي قد تستخدمها الأنظمة الأكبر حجمًا في المستقبل.
من المتوقع أن تظهر التطبيقات الرئيسية الأولى في الكيمياء الكمومية ونمذجة الجزيئات، بما في ذلك عمليات المحاكاة التي قد تدعم تطوير الأدوية،ومع ازدياد قوة الأجهزة الكمومية، يتوقع الباحثون أيضًا تطبيقات في مجالات التمويل والتحسين والذكاء الاصطناعي.
وأشار سميرنوف إلى أن العديد من الباحثين يرون أن أنظمة تضم حوالي 70 كيوبت كافية لبعض العمليات الحسابية التي يصعب أو يستحيل إجراؤها بكفاءة على الحواسيب التقليدية. لذا، فإن الهدف على المدى البعيد ليس استبدال المعالج الكمومي للحاسوب العملاق التقليدي، بل العمل جنبًا إلى جنب معه كمعالج كمومي مساعد متخصص، يتولى العمليات الحسابية التي توفر فيها الطرق الكمومية ميزة.
يمكن للباحثين اختبار "SnowDrop 8Q" عن بُعد
انتقل الفريق الآن إلى مرحلة الاختبار التجريبي، والتي تستمر حتى 20 أغسطس 2026. يمكن للباحثين الحصول على وصول مجاني عن بُعد إلى (SnowDrop 8Q) من خلال منصة (Bauman Octillion) السحابية، وتشغيل خوارزمياتهم الكمومية الخاصة على النظام الحقيقي ذي الثمانية كيوبتات،ولا يزال هذا المعالج المساعد ذو الأربع كيوبتات متاحًا لإجراء التجارب عبر الإنترنت.
وقد قُبلت الحسابات النظرية والنتائج التجريبية للنشر في مجلة ( Physical Review Applied)، وأُجري البحث ضمن مشروع "الحوسبة الهجينة إكسافلوبس (باومان ديب تيك)" التابع لبرنامج ( أولوية 2030).
لا يكمن الإنجاز الرئيسي لمعالج (SnowDrop 8Q) في مجرد إضافة المزيد من الكيوبتات، بل في إثبات بنية فائقة التوصيل تحافظ على دقة تشغيل عالية مع زيادة عدد الكيوبتات والترابط، بينما تُقلل نبضات التحكم المتخصصة وعمليات الكيوبتات الثنائية القابلة للتكيف من الأخطاء والعبء الحسابي، ما يوفر أساسًا أقوى للمعالجات المساعدة الكمومية الأكبر حجمًا.
